10 kV配電線路單相接地故障定位方法

鮑 建 楊沛豪

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1 研究背景

隨著電網容量不斷增大,用戶的需求日益多樣化,10 kV配電線路日趨復雜,為線路故障定位與排查帶來了新的挑戰。單相接地故障是一種配電網常見故障,數量占全部線路故障的90%。如何在10 kV配電線路中快速定位單相接地故障,排查并解決故障,防止故障蔓延,確保系統穩定性,是當今配電線路研究的一個重點[1-3]。

目前廣泛應用的接地故障測距方法分為行波測距法和阻抗測距法[4]。行波測距法利用線路故障點發出的電流、電壓行波信號,計量信號到達檢測點的時間,進而確定故障點位置[5]。在10 kV配電網實際系統中,線路結構和系統參數往往不相同,會對行波傳輸造成影響。另一方面,檢測點對行波數據處理會有一定延時,造成測距結果存在差異,無法準確定位故障[6-7]。阻抗測距法利用阻抗繼電器原理進行單端故障測距,通過故障點發出的電壓、電流計算故障回路阻抗,比較故障回路阻抗和正常回路阻抗來確定故障位置[8-9]。阻抗測距法用到的電壓、電流可以通過故障錄波器或繼電器記錄得到,不需要新增設備,故障定位成本得到很好控制,而且不受通信條件限制,由此阻抗測距法在10 kV配電系統中得到廣泛應用[10-11]。

在阻抗測距法實際應用中,實際測量數據受到過渡電阻的影響,故障定位精度不高。針對這一問題,筆者以10 kV配電線路發生A相接地故障為例,提出10 kV配電線路單相接地故障定位方法,分析10 kV配電線路單相接地故障向量,給出含有過渡電阻的阻抗測距表達式,對測量得到的電流、電壓數據進行共軛運算,消除過渡電阻相,使故障定位更加準確。通過Matlab/Simulink軟件仿真,驗證所提法的有效性。

2 故障分析

10 kV配電線路保護大部分采用小電流接地方式,當發生單相接地故障后,線路等效網絡如圖1所示。

圖1 10 kV配電線路單相接地等效網絡

10 kV配電線路有n條出線,其中第k條線路發生單相接地故障。Ci(i=1,2,3,…,k,…,n)為各條線路進線對地電容,Ri(i=1,2,3,…,k,…,n)為各條線路等效電阻;Li(i=1,2,3,…,k,…,n)為各條線路等效電感;Ii(i=1,2,3,…,k,…,n)為發生故障后各條線路流過的零序電流。在故障線路上,Rf為故障點過渡電阻,U0為故障點等效零序電壓源,I0為故障點處零序電流。

非故障線路上零序電流的大小與本線路對地電容流過的電流相等,故障線路上零序電流的大小等于所有非故障線路零序電流的總和。當發生單相接地故障后,為了防止故障擴大為兩點、多點接地短路,應該及時定位故障,并予以消除。

3 阻抗測距數學模型

為了得到阻抗測距數學模型,需要假設各條10 kV配電線路為均勻導體。在單相接地短路故障中,故障回路阻抗或電抗與測量點到故障點的距離成正比。對圖1中10 kV配電線路單相接地故障單獨分析,可以得到單條線路接地故障內部電路,如圖2所示。

圖2 單條線路接地故障內部電路

圖2中,設M端為測量端,ZM為測量阻抗,其值為:

ZM=UM/IM=mZL+IfRf/IM

(1)

式中:UM、IM分別為M端測量電壓、電流;mZL為故障線路阻抗;m為線路故障距離占線路總距離的百分比;ZL為線路阻抗;If為過渡電阻流過的電流。

圖2線路若為三相電路,則UM為:

UM=(IM+3kI0)mZ1+3If0Rf

(2)

式中:k為阻抗補償因數;mZ1為故障線路正序阻抗;If0為過渡電阻流過的零序電流。

I0=(IA+IB+IC)/3

(3)

式中:IA、IB、IC為三相電路線電流。

在10 kV配電線路實際運行中,M端流過電流與過渡電阻流過零序電流之間的夾角小于10°,可近似認為對故障定位精度無影響,IM與If0同相位,則式(2)中3If0可以用I0代替,式(2)簡化為:

UM=(IM+3kI0)mZ1+I0Rf

(4)

4 過渡電阻的消除

三相電路中A相發生單相接地故障,式(4)可變換為:

UA=(IA+3kI0)mZL+I0Rf

(5)

式中:UA為A相電壓。

(6)

5 仿真分析

為了驗證筆者所提方法的有效性,在Matlab/Simulink軟件中搭建與實際10 kV配電線路匹配的仿真模型,采用單電源供電,故障測距數據采集點在電源側。為了抑制單相接地產生的高次諧波,采用LC濾波電路。配電線路仿真參數中,線路長度為10 km,相電壓有效值為220 V,正序電阻為0.22 Ω,零序電阻為0.14 Ω,正序電抗為3.08 Ω,零序電抗為3.38 Ω,濾波電感為1.5 mH,濾波電容為10μF。10 kV配電系統某條線路發生A相接地故障后,該條線路三相電壓和電流波形分別如圖3、圖4所示。

圖3 A相接地故障三相電壓波形

由圖3和圖4可以看出,當線路發生A相接地故障時,A相電壓幅值減小,B相、C相電壓基本保持不變,故障消除后三相電壓又達到平衡。故障期間三相電流基本對稱,幅值增大滿足額定電流限制。故障消除后,電流很快恢復至系統額定運行。

為了驗證筆者所提方法可以滿足故障精確定位要求,每隔1 km設置一個短路接地點,分九次仿真,不同過渡電阻對應的仿真結果見表1～表4。

表1 過渡電阻為0.001 Ω時傳統阻抗測距法仿真結果

表2 過渡電阻為0.01 Ω時傳統阻抗測距法仿真結果

表3 過渡電阻為0.001 Ω時筆者方法仿真結果

表4 過渡電阻為0.01 Ω時筆者方法仿真結果

由表1～表4可見,測距誤差隨故障點遠離采集點而增大,這是由信號傳輸距離增大造成的。對比表1和表2,可以得到測距誤差與過渡電阻有密切關系。隨著過渡電阻增大10倍,測距誤差增大至100～200 m,測量精度受到影響。對比表1和表3,可以得到采用筆者方法,相比傳統阻抗測距法,測距誤差減小3～10 m,但是由于本來過渡電阻就接近于0,精度提高不明顯。對比表2和表4,可以得到采用筆者方法,相比傳統阻抗測距法,測距誤差減小100～122 m,故障定位更為準確。

6 結束語

筆者以10 kV配電線路發生單相接地故障為例,給出10 kV配電線路單相接地故障向量,分析阻抗測距故障定位數學模型,針對過渡電阻引起測距不準的問題,對測量得到的電流、電壓數據進行共軛運算,消除過渡電阻相。通過Matlab/Simulink軟件仿真,驗證了筆者所提方法的有效性。

筆者提出的10 kV配電線路單相接地故障定位方法可以提高故障定位精度,減小測距誤差,在10 kV配電線路故障定位中具有應用價值。